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  • 1. Capítulo 1Números reales1.1. Sistemas numéricos1.1.1. Números naturales: principio de inducción Los números 1, 2, 3, . . . , reciben el nombre de números naturales. Con ellos se realizan dos ope-raciones, la suma de números naturales y el producto de números naturales, que dan como resultadootro número natural perfectamente definido. Para dos números naturales cualesquiera m y n, su sumasuele representarse por m + n y su producto por m · n o mn (si no hay lugar a confusión). Si denotamoscon N el conjunto de todos los números naturales, podemos pensar en la suma y el producto comoaplicaciones del producto cartesiano N × N en N: + : N×N → N, · : N×N → N. (m, n) → m+n (m, n) → m·n A continuación describimos las propiedades fundamentales de estas operaciones (m, n, p repre-sentan números naturales cualesquiera): • Propiedad asociativa de la suma: (m + n) + p = m + (n + p). • Propiedad conmutativa de la suma: m + n = n + m. • Propiedad asociativa del producto: (mn)p = m(np). • Propiedad conmutativa del producto: mn = nm. • Elemento neutro (identidad) para el producto: hay un número natural, que denotamos por 1, tal que 1 · n = n · 1 = n. • Propiedad distributiva del producto respecto de la suma: m(n + p) = mn + mp.Se puede asimismo comparar el tamaño de dos números naturales cualesquiera y establecer así unarelación de orden en N. Suele escribirse m ≤ n para indicar que m es menor o igual que n (o lo quees lo mismo, que n es mayor o igual que m, lo que también se escribe n ≥ m); y se escribe m < n (on > m) para expresar que m es estrictamente menor que n, es decir, que m es menor (y distinto) que n.Esta relación cumple las siguientes propiedades (m, n, p representan números naturales cualesquiera): • Propiedad reflexiva: m ≤ m. 1
  • 2. 2 Capítulo 1. Números reales • Propiedad antisimétrica: si m ≤ n y n ≤ m, entonces m = n. • Propiedad transitiva: si m ≤ n y n ≤ p, entonces m ≤ p. • Propiedad de orden total: siempre es m ≤ n o n ≤ m. La ordenación de N no es independiente de la suma y el producto: para dos números naturales m,n se tiene m > n si y solo si m = n + p para algún número natural p.Principio de buena ordenación. Todo conjunto no vacío de números naturales posee un elementomínimo, es decir, dado S ⊆ N no vacío, existe un elemento m en S tal que m ≤ n para todo n ∈ S.El principio de inducción. Esta es una de las propiedades de N que más vamos a usar durante elcurso. Se puede enunciar así: • si un conjunto de números naturales contiene a 1 y por cada elemento n del conjunto también n + 1 pertenece a él, entonces el conjunto es N. Es decir, dado S ⊆ N tal que 1 ∈ S y n + 1 ∈ S siempre que n ∈ S, es S = N.En la práctica, el principio de inducción suele aplicarse en términos de propiedades más que en térmi-nos de conjuntos: • supongamos que para cada número natural n se tiene una propiedad Pn que puede ser cierta o falsa. Supongamos además que: a) P1 es cierta; b) si para algún n ∈ N la propiedad Pn es cierta, entonces la propiedad Pn+1 también es cierta. Entonces, Pn es cierta para todo n ∈ N.La siguiente variante se llama principio de inducción completa: • supongamos que para cada número natural n se tiene una propiedad Pn que puede ser cierta o falsa. Supongamos además que: a) P1 es cierta; b) si para algún n ∈ N todas las propiedades P1 , P2 , . . . , Pn son ciertas, entonces Pn+1 también es cierta. Entonces, Pn es cierta para todo n ∈ N. Es un hecho notable, señalado por el matemático italiano Peano en su obra Arithmetices principianova methodo exposita (Bocca, 1889) que todas las propiedades de los números naturales puedendeducirse de las siguientes, llamadas en su honor axiomas de Peano para los números naturales: • Para todo número natural n existe otro número natural, ns , que se llama siguiente o sucesor de n. • Existe un número natural, que denotamos por 1, tal que ns = 1 cualquiera que sea el número natural n.
  • 3. 1.1. Sistemas numéricos 3 • Para números naturales cualesquiera m y n, es ms = ns si y solo si m = n. • Principio de inducción: si un conjunto S de números naturales contiene a 1 y por cada elemento n ∈ S también ns ∈ S, entonces S = N.Las operaciones de suma y producto y la relación de orden se definen entonces en términos de si-guientes, véase por ejemplo [B IRKHOFF -M AC L ANE].1.1.2. Números enteros y racionales El conjunto de los números enteros . . . , −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, . . . , que amplía el de los naturales,se denota por Z. En él hay definidas dos operaciones, suma y producto, y una relación de orden. Laspropiedades de la suma, el producto y el orden para los números naturales también las cumplen losnúmeros enteros. Y además: • Elemento neutro (cero) para la suma: hay un número entero, que denotamos por 0, tal que 0 + n = n + 0 = n para cualquier entero n. • Elemento opuesto para la suma: para cada entero n hay otro número entero (y solo uno), que denotamos por −n, tal que (−n) + n = n + (−n) = 0.Estas propiedades y las anteriores de la suma y el producto se resumen diciendo que Z, con estas dosoperaciones, es un anillo conmutativo. Para la relación de orden podemos añadir: • Relación del orden con la suma: si a ≤ b, entonces a + c ≤ b + c. • Relación del orden con el producto por números no negativos: si a ≤ b y c ≥ 0, entonces ac ≤ bc.Principio de buena ordenación de los conjuntos acotados inferiormente. El principio de buenaordenación de los números naturales no es válido para los números enteros: por ejemplo, el propioconjunto Z no tiene elemento mínimo, pues para cada n ∈ Z es n − 1 < n. Sin embargo, hay unapropiedad análoga para cierta clase de subconjuntos: los acotados inferiormente. Un subconjunto S ⊆ Z no vacío se dice que está acotado inferiormente si existe algún númeroentero k ∈ Z tal que para todo n ∈ Z, k ≤ n. Todo conjunto no vacío S ⊆ Z acotado inferiormenteposee un elemento mínimo, es decir, existe un elemento m en S tal que para todo n ∈ S, m ≤ n.Un principio de inducción. En Z puede hablarse del siguiente a un número entero, en el sentidode que entre n y n + 1 no hay ningún otro número entero. No se cumple, sin embargo, el principio deinducción, sino una propiedad similar aunque más débil: • si un conjunto de números enteros contiene un número k y que por cada elemento n del conjunto también n+1 pertenece a él, entonces el conjunto contiene a todos los números enteros mayores o iguales que k. Es decir, si k ∈ S ⊆ Z y n+1 ∈ S siempre que n ∈ S, entonces S ⊇ {n ∈ Z : n ≥ k}.Los números racionales. En Z es posible la resta, pero no la división. Esta operación es posible(dividiendo por elementos distintos de 0) en el conjunto Q de los números racionales, que son co-cientes de números enteros (con denominador no nulo). En este conjunto están definidas la suma yel producto, y una relación de orden. Las propiedades de la suma, el producto y el orden para losnúmeros enteros también las cumplen los números racionales. Y además:
  • 4. 4 Capítulo 1. Números reales • Elemento inverso para el producto: si a = 0, hay un número racional (y solo uno) que denota- mos por a−1 o 1 , tal que a−1 a = aa−1 = 1. aEsta y las anteriores propiedades de la suma, el producto y el orden se resumen diciendo que Q es uncuerpo conmutativo totalmente ordenado. Señalemos que en Q no hay ninguna propiedad similar al principio de inducción. Ni siquierapuede hablarse del siguiente a un número dado: concretamente, entre dos números racionales distintossiempre hay otro número racional. En efecto: si a < b, es fácil comprobar que a < a+b < b. 2 Es fácil descubrir huecos en Q: por ejemplo, ningún número racional puede representar la longitudde la diagonal de un cuadrado de lado 1. Dicho de otra forma, no existe ningún número racional atal que a2 = 2. En efecto: sea a ∈ Q; podemos escribirlo como a = m , con m y n enteros sin factores nprimos comunes y n = 0. Si fuera a2 = 2 se seguiría que m2 = 2n2 , luego m2 es par, y también debeserlo m; pero entonces m = 2p para algún entero p, y sustituyendo en m2 = 2n2 queda 4p2 = 2n2 . Esdecir, 2p2 = n2 ; luego n2 es par, y también deber serlo n. En resumen, m y n son pares; pero habíamossupuesto que m y n no tenían factores comunes. La contradicción viene de suponer que a2 = 2. Para poder hablar de números que representen estas cantidades se necesita una nueva ampliaciónde los sistemas numéricos. Así pasamos a considerar el conjunto R de los números reales o, másexactamente, las propiedades de R (sin entrar en su naturaleza: no decimos qué es un número real,sino cómo se manejan los números reales).1.1.3. Números reales: operaciones algebraicas En R hay dos operaciones, suma y producto, respecto de las cuales es un cuerpo conmutativo.Esto significa que si a, b, c son números reales cualesquiera, se cumple: a) Propiedad asociativa de la suma: (a + b) + c = a + (b + c). b) Propiedad conmutativa de la suma: a + b = b + a. c) Elemento neutro (cero) para la suma: hay un número real, que denotamos por 0, tal que 0 + a = a + 0 = a. d) Elemento opuesto para la suma: hay un número real (y solo uno), que denotamos por −a, tal que (−a) + a = a + (−a) = 0. e) Propiedad asociativa del producto: (ab)c = a(bc). f) Propiedad conmutativa del producto: ab = ba. g) Elemento neutro (identidad) para el producto: hay un número real distinto de 0, que denotamos por 1, tal que 1 · a = a · 1 = a. h) Elemento inverso para el producto: si a = 0, hay un número real (y solo uno) que denotamos por a−1 o 1/a, tal que a−1 a = aa−1 = 1. i) Propiedad distributiva del producto respecto de la suma: a(b + c) = ab + ac.Todas las propiedades que usamos habitualmente se deducen de estas. Por ejemplo, veamos en detallecómo se prueba que para todo número real x es x · 0 = 0: c) i) x · 0 = x(0 + 0) = x · 0 + x · 0
  • 5. 1.2. Ordenación de los números reales 5y de d) se sigue a) d) c) 0 = −(x · 0) + x · 0 = −(x · 0) + [(x · 0 + x · 0)] = [−(x · 0) + x · 0] + x · 0 = 0 + x · 0 = x · 0. Los números reales se pueden representar gráficamente como puntos de una recta. Esto permitever, sobre todo, las relaciones de orden. √ log 2 3 π γ 2 π π2 −2 −1 0 11 1 π2 2 e3 4 5 6 7 8 9 10 32 6 1 √ √ 2 2 La recta real, con algunos números señalados1.2. Ordenación de los números reales1.2.1. Desigualdades fundamentales en R En R hay una relación de orden que extiende la de los números racionales. Las propiedades básicasson las siguientes (a, b, c representan números reales cualesquiera): • Propiedad reflexiva: a ≤ a. • Propiedad antisimétrica: a ≤ b y b ≤ a =⇒ a = b. • Propiedad transitiva: a ≤ b y b ≤ c =⇒ a ≤ c. • Propiedad de orden total: a ≤ b ó b ≤ a. • Relación con la suma: a ≤ b =⇒ a + c ≤ b + c. • Relación con el producto: c ≥ 0, a ≤ b =⇒ ac ≤ bc; en particular, c ≥ 0, b ≥ 0 =⇒ bc ≥ 0.Dados a, b ∈ R, se escribe a < b si a ≤ b y a = b. De estas propiedades pueden deducirse sucesivamente (es un ejercicio recomendable) las siguien-tes desigualdades, que utilizaremos de aquí en adelante sin más comentario según las necesitemos. Enlo que sigue, a, b, c, d, a1 ,. . . , an representan números reales cualesquiera. • a ≤ b, b < c =⇒ a < c. • a < b, b ≤ c =⇒ a < c. • a < b =⇒ a + c < b + c. • Suma de desigualdades: a ≤ b, c ≤ d =⇒ a + c ≤ b + d, siendo entonces a + c = b + d si y solo si a = b y c = d.
  • 6. 6 Capítulo 1. Números reales • a1 , . . . , an ≥ 0 =⇒ a1 + · · · + an ≥ 0; además, a1 + · · · + an > 0 excepto si a1 = · · · = an = 0. • a > 0, b > 0 =⇒ ab > 0. • a > 0, b < 0 =⇒ ab < 0. • a < 0, b < 0 =⇒ ab > 0. • a2 ≥ 0. • a = 0 =⇒ a2 > 0. • 2ab ≤ a2 + b2 . • 1 > 0, −1 < 0. • a < b, c > 0 =⇒ ac < bc. • a < b, c < 0 =⇒ ac > bc. • a ≤ b, c ≤ 0 =⇒ ac ≥ bc. • 0 ≤ a ≤ b =⇒ a2 ≤ b2 . • 0 ≤ a < b =⇒ a2 < b2 . 1 • a > 0 ⇐⇒ > 0. a 1 1 • 0 < a ≤ b =⇒ ≤ . b a 1 1 • a ≤ b < 0 =⇒ ≤ . b a1.2.2. Valor absoluto de un número real. Desigualdades básicas El valor absoluto de un número real a es el número real no negativo a, si a ≥ 0; |a| = −a, si a ≤ 0.Gráficamente corresponde a la distancia de a al origen.Definición 1.2.1 (distancia entre números reales). Dados a, b ∈ R, se llama distancia entre a y bal número real no negativo |a − b|. Gráficamente, |a − b| mide la distancia geométrica entre los puntos a y b. Recogemos las propiedades del valor absoluto que son de mayor interés para el resto del curso. Sia, b, c, d denotan números reales cualesquiera, se verifica: • |1| = 1; | − 1| = 1. • | − a| = |a|.
  • 7. 1.2. Ordenación de los números reales 7 • −|a| ≤ a ≤ |a|. • |a| ≤ b ⇐⇒ −b ≤ a ≤ b. • |a| < b ⇐⇒ −b < a < b. • |a| > b ⇐⇒ a > b ó a < −b. • |a| ≥ 0. • |a| = 0 ⇐⇒ a = 0. • |ab| = |a| · |b|. • |a−1 | = |a|−1 siempre que a = 0. • a2 ≤ b2 ⇐⇒ |a| ≤ |b|. • a2 = b2 ⇐⇒ |a| = |b|.Desigualdad triangular. Si a y b son números reales cualesquiera, |a + b| ≤ |a| + |b|.Esta desigualdad es muy útil, como iremos viendo. La demostración es sencilla: según las propiedadesanteriores, −|a| ≤ a ≤ |a|, −|b| ≤ b ≤ |b|.Sumamos las desigualdades y resulta −|a| − |b| ≤ a + b ≤ |a| + |b|, es decir, −(|a| + |b|) ≤ a + b ≤ (|a| + |b|).Usamos otra de las propiedades anteriores (|c| ≤ d ⇐⇒ −d ≤ c ≤ d, cambiando la notación) ydeducimos que |a + b| ≤ |a| + |b|.Desigualdad triangular inversa. Si a y b son números reales cualesquiera, |a| − |b| ≤ |a − b|.Esta desigualdad es consecuencia de la desigualdad triangular. En efecto: aplicando la desigualdadtriangular a los números b y a − b, resulta |a| = |(a − b) + b| ≤ |a − b| + |b|,es decir, |a| − |b| ≤ |a − b|.Cambiando el papel de a y b, tenemos |b| − |a| ≤ |b − a| = |a − b|, es decir, −(|a| − |b|) ≤ |a − b|.De aquí se deduce que |a| − |b| ≤ |a − b|.
  • 8. 8 Capítulo 1. Números reales1.2.3. Conjuntos acotados en R. El axioma del supremo Dado un subconjunto S de R y un número real a, si a ≤ s para todo s ∈ S se dice que a es unacota inferior de S y que S está acotado inferiormente (por a). Si b es otro número real y b ≥ s paratodo s ∈ S, se dice que b es una cota superior de S y que S está acotado superiormente (por b). Si unconjunto S está acotado superior e inferiormente, se dice que está acotado. Un número real m se dice que es el mínimo de un conjunto S si pertenece al conjunto y es unacota inferior. Es decir, si m ∈ S y m ≤ s para todo s ∈ S. Se escribe entonces m = m´n S. ı Un número real M se dice que es el máximo de un conjunto S si pertenece al conjunto y es unacota superior. Es decir, si M ∈ S y M ≥ s para todo s ∈ S. En ese caso, se escribe M = m´ x S. a Un número real a se dice que es el ínfimo de un conjunto S si es la mayor cota inferior del S. Esdecir, si a ≤ s para todo s ∈ S y cada a > a no es cota inferior de S; de modo que se tendrá a > spara algún s ∈ S. En ese caso, se escribe a = ´nf S. ı Dicho de otra forma, el ínfimo de un conjunto es el máximo del conjunto de cotas inferiores delprimero. Nótese que si a = ´nf S, será a = m´n S si y solo si a ∈ S. ı ı Un número real b se dice que es el supremo de un conjunto S si es la menor cota superior del S.Es decir, si b ≥ s para todo s ∈ S y cada b < b no es cota superior de S; de modo que se tendrá b < spara algún s ∈ S. Se escribe b = sup S. Dicho de otra forma, el supremo de un conjunto es el mínimo del conjunto de cotas superiores delprimero. Nótese que si b = sup S, será b = m´ x S si y solo si a ∈ S. a El axioma del supremo, o axioma de completitud de R, es la siguiente propiedad que caracterizala diferencia entre Q y R: • Todo subconjunto no vacío de R acotado superiormente tiene supremo.La propiedad simétrica (todo subconjunto no vacío de R acotado inferiormente tiene ínfimo) es con-secuencia de lo anterior.1.2.4. Propiedad arquimediana de R: consecuenciasTeorema 1.2.2 (propiedad arquimediana de R). Dados dos números reales a, b, con a > 0, existealgún número natural n tal que na > b.Demostración. Sean a, b ∈ R, con a > 0. Razonemos por reducción al absurdo: supongamos que la te-sis no es cierta, es decir, na ≤ b para todo número natural n, y veamos que se llega a una contradicción.En tal caso, el conjunto S = {na : n ∈ N}, que no es vacío, estaría acotado superiormente (por b), luegopor el axioma del supremo tendría supremo. Sea s este supremo, es decir, s = sup S = sup{na : n ∈ N}.Puesto que a > 0, s − a < s; según la definición de supremo, s − a ya no puede ser cota superior delconjunto S, de modo que existirá algún elemento en S estrictamente mayor que s − a. Dicho elementoserá de la forma ma con m ∈ N, y así s − a < ma. Pero esto implica que s < ma + a = (m + 1)a yobviamente (m + 1)a ∈ S, con lo cual s no es una cota superior de S. Hemos llegado a una contradic-ción. Aplicada al caso particular a = 1, la propiedad arquimediana muestra que el conjunto N de losnúmeros naturales no está acotado superiormente por ningún número real. Como consecuencia de la propiedad arquimediana se puede probar que todo número real estácomprendido entre dos enteros consecutivos.
  • 9. 1.2. Ordenación de los números reales 9Teorema 1.2.3 (parte entera de un número real). Dado x ∈ R, existe un número entero (y uno solo),que suele denotarse con [x], tal que [x] ≤ x < [x] + 1.El número [x] se llama la parte entera de x.Demostración. La desigualdad del enunciado equivale a decir que [x] es el mayor número entero quees menor o igual que x. Para probar que existe, podemos utilizar uno cualquiera de los siguientescaminos: Primer camino. Comenzamos por observar que todo conjunto no vacío de números enteros aco-tado superiormente tiene un elemento máximo, como se deduce del principio de buena ordenación delos conjuntos minorados sin más que tomar opuestos. Pero el conjunto S = {n ∈ Z : n ≤ x}es no vacío, pues por la propiedad arquimediana existe n ∈ N tal que n > −x y así −n < x, luego−n ∈ S; además, S está acotado superiormente (por x o por cualquier número natural superior a x, sino queremos salirnos de Z). Por lo tanto, S tiene un elemento máximo, llamémosle m. Como m ∈ S, setendrá m ≤ x. Y como m es el máximo de S y m < m + 1, se deduce que m + 1 ∈ S, es decir, x < m + 1. / Segundo camino. Utilizamos que todos los números naturales son mayores o iguales que 1 (de-mostrarlo por inducción) y que los números naturales son justamente los enteros positivos. Llamandonuevamente S al conjunto de enteros menores o iguales que x, S es no vacío por el argumento anteriory está acotado superiormente por x; aplicando el axioma del supremo, S tiene un supremo, al quevamos a llamar s. Como s − 1 ya no es cota superior de S, por ser estrictemente menor que s, existirám ∈ S tal que s − 1 < m ≤ s. Pero m también es cota superior de S, dado que si algún n ∈ S verificasen > m obtendríamos m < n ≤ s < m + 1, de donde 0 < n − m < 1, y n − m sería un entero positivomenor que 1, imposible. Por tanto vemos que hay un elemento de S que es cota superior de S, es decir,que es el máximo de S, y como antes deberá cumplir m ≤ x < m + 1. La propiedad arquimediana permite también deducir cómo están distribuidos en R los númerosracionales.Teorema 1.2.4 (densidad de Q en R). Dados dos números reales a, b, con a < b, existe algún númeroracional r tal que a < r < b.Observación. Si existe tal r, podrá escribirse en la forma r = m/n con m ∈ Z y n ∈ N, de modo quetenemos que encontrar m ∈ Z y n ∈ N tales que a < m/n < b o, lo que es lo mismo, na < m < nb. Esintuitivamente claro, pensando en la representación gráfica de R, que entre dos números a distanciamayor que 1 siempre se puede incluir un número entero (suponiendo los dos números positivos, porejemplo, superponiendo el segmento unidad consigo mismo hacia la derecha, la primera vez quesobrepasemos el número más cercano al origen, no habremos sobrepasado el otro número). Esta es laidea que vamos a tratar de utilizar.Demostración. La propiedad arquimediana aplicada a b − a > 0 y a 1 nos asegura la existencia de unn ∈ N tal que n(b − a) > 1, con lo cual nb > na + 1. Sea ahora S = {p ∈ Z : p > na}. Este es un conjunto no vacío (¿por qué?) de números enterosacotado inferiormente en Z (¿por qué?); por lo tanto, posee un elemento mínimo. Llamando m = m´n S, ıpuesto que m ∈ S es m > na; y como es el mínimo de S, m − 1 no puede estar en S, lo que significa quem − 1 ≤ na. Pero entonces m ≤ na + 1 < nb; así pues, na < m < nb y finalmente a < m/n < b.
  • 10. 10 Capítulo 1. Números reales1.2.5. Números irracionales Los números reales que no son racionales se llaman números irracionales. Veamos que existennúmeros irracionales. Ya sabemos que no hay ningún número racional cuyo cuadrado es 2, así quevamos a probar que sí hay un número real positivo cuyo cuadrado es 2. Este número tendrá que serirracional. Consideremos el conjunto S = {x ∈ R : x ≥ 0, x2 ≤ 2}. Este es un conjunto no vacío de númerosreales (por ejemplo, 1 ∈ S). Y está acotado superiormente, ya que si x ∈ S, x 2 ≤ 2 < 4 = 22 ,de donde se deduce que x ≤ 2. Es decir, 2 es una cota superior de S. Luego el conjunto S tiene supremo. Sea v = sup S; como 1 ∈ S, v ≥ 1 > 0. Comprobemos que no puede ser v2 > 2 ni v2 < 2. Si v2 > 2, entonces tomando h = m´n{v, (v2 − 2)/2v} se tendría h > 0, v − h ≥ 0 y ı (v − h)2 = v2 − 2vh + h2 > v2 − 2vh ≥ v2 − (v2 − 2) = 2 ≥ x2 ,para todo x ∈ S, de donde v − h ≥ x. Pero v − h no puede ser cota superior del conjunto S porque esmenor que su supremo. Si v2 < 2, entonces tomando h = m´n{v, (2 − v2 )/3v} se tendría h > 0, v + h > 0 y ı (v + h)2 = v2 + 2vh + h2 ≤ v2 + 2vh + vh = v2 + 3vh ≤ v2 + (2 − v2 ) = 2,o sea, v + h ∈ S. Pero esto no puede ser, porque v + h > v y en cambio para todo x ∈ S se tiene x ≤ v. Queda así como única posibilidad v2 = 2. Este número positivo cuyo cuadrado es 2 se representa √por 2.Teorema 1.2.5 (densidad de R Q en R). Dados dos números reales a, b, con a < b, existe algúnnúmero irracional x tal que a < x < b.Demostración. Sea y ∈ R Q cualquiera (ya hemos visto que existe alguno). Puesto que a − y < b − y,según el teorema 1.2.4 existe algún r ∈ Q tal que a − y < r < b − y, de donde a < r + y < b. Por último,r + y es un número irracional, ya que si fuera racional se tendría y = (r + y) + (−r) ∈ Q.1.2.6. Intervalos en R Reciben el nombre de intervalos los subconjuntos de R definidos del siguiente modo (a, b sonnúmeros reales cualesquiera): • intervalo acotado y abierto: (a, b) = {x ∈ R : a < x < b}; • intervalo acotado, cerrado por la izquierda y abierto por la derecha: [a, b) = {x ∈ R : a ≤ x < b}; • intervalo acotado, abierto por la izquierda y cerrado por la derecha: (a, b] = {x ∈ R : a < x ≤ b}; • intervalo acotado y cerrado: [a, b] = {x ∈ R : a ≤ x ≤ b}; • intervalo abierto, acotado inferiormente pero no superiormente: (a, +∞) = {x ∈ R : x > a}; • intervalo cerrado, acotado inferiormente pero no superiormente: [a, +∞) = {x ∈ R : x ≥ a}; • intervalo abierto, acotado superiormente pero no inferiormente: (−∞, b) = {x ∈ R : x < b};
  • 11. 1.3. Apéndice: expresión decimal de un número real 11 • intervalo cerrado, acotado superiormente pero no inferiormente: (−∞, b] = {x ∈ R : x ≤ b}; • intervalo no acotado inferior ni superiormente: (−∞, +∞) = R.Nótese que si a > b, (a, b) = 0, de modo que el conjunto vacío es un intervalo. / Los intervalos de R se caracterizan por la propiedad de los valores intermedios:Proposición 1.2.6 (caracterización de los intervalos reales). Un subconjunto I de R es un intervalosi y solo si dados x, y ∈ I, cada z ∈ R tal que x ≤ z ≤ y también pertenece a I (dicho de otro modo:con cada dos valores están también todos los intermedios).Demostración. Para probar la implicación directa basta un examen de todos los casos. Por ejemplo,si I = (a, b), x, y ∈ I, y z ∈ R es tal que x ≤ z ≤ y, se tiene a < x ≤ z ≤ y < b, luego a < z < b y pordefinición z ∈ I. La implicación inversa es trivial en el caso de que I = 0. Suponemos, pues, I = 0. Pueden presen- / /tarse las siguientes situaciones: a) I es acotado; b) I es acotado superiormente pero no inferiormente;c) I es acotado inferiormente pero no superiormente; d) I no es acotado superior ni inferiormente.Veamos cada una de ellas. a) I es acotado. Sea a = ´nf I, b = sup I. Obviamente entonces (a, b) ⊆ I ⊆ [a, b], pues c ∈ ı(a, b) ⇐⇒ a < c < b, y por definición de supremo e ínfimo existirán un x ∈ I con x < c y un y ∈ Icon c < y, luego c ∈ I; por otra parte, también por definición de supremo e ínfimo, de x ∈ I se siguea ≤ x ≤ b, o sea, x ∈ [a, b]. Ahora, • si a, b ∈ I, [a, b] = (a, b) ∪ {a, b} ⊆ I ⊆ [a, b], luego I = [a, b]; • si a ∈ I, b ∈ I, [a, b) = (a, b) ∪ {a} ⊆ I ⊆ [a, b] {b} = [a, b), luego I = [a, b); • si a ∈ I, b ∈ I, (a, b] = (a, b) ∪ {b} ⊆ I ⊆ [a, b] {a} = (a, b], luego I = (a, b]; • si a ∈ I, b ∈ I, (a, b) ⊆ I ⊆ [a, b] {a, b} = (a, b), luego I = (a, b). b) I es acotado superiormente pero no inferiormente. Sea a = sup I, con lo que (−∞, a) ⊆ I ⊆(−∞, a], pues para cada z ∈ I es z ≤ a y dado z < a, existe y ∈ I con z < y (por definición de supremo)y existe x ∈ I con x < z (I no está acotado inferiormente), que con la hipótesis del enunciado da z ∈ I.En consecuencia, • si a ∈ I, (−∞, a] = (−∞, a) ∪ {a} ⊆ I ⊆ (−∞, a], luego I = (−∞, a]; • si a ∈ I, (−∞, a) ⊆ I ⊆ (−∞, a] {a} = (−∞, a), luego I = (−∞, a). /Los restantes casos se analizan de forma análoga: en c) se obtiene I = (a, +∞) o I = [a, +∞), dondea = ´nf I, y en d) queda I = R. ı1.3. Apéndice: expresión decimal de un número real En esta exposición seguimos esencialmente la que puede verse en [A POSTOL 2, págs. 13–15]. Los números reales de la forma a1 a2 an a0 + + 2 + · · · + n , 10 10 10donde a0 es un número entero no negativo y a1 , . . . , an son enteros que satisfacen 0 ≤ a j ≤ 9, seexpresan normalmente de la forma a0 , a1 a2 . . . an . Esta expresión se llama representación decimalfinita. Estos números son racionales, pero no todo número racional tiene una representación decimalfinita (véase [A POSTOL 2, págs. 13–14]).
  • 12. 12 Capítulo 1. Números realesProposición 1.3.1 (aproximaciones decimales finitas de los números reales). Dado un número realx ≥ 0, para todo n ∈ N existe un decimal finito rn = a0 , a1 a2 . . . an tal que 1 rn ≤ x < rn + . 10nEn consecuencia, x = sup{rn : n ∈ N}.Demostración. Para construir los rn basta tomar a0 = [x], ak = [10k x] − 10[10k−1 x], 1 ≤ k ≤ n (verdetalles en [A POSTOL 2, págs. 14–15]). Por otra parte, x es cota superior de {rn : n ∈ N} por construcción, y es la menor de las cotas 1superiores porque si y < x es posible encontrar un n ∈ N de manera que 10n > (¿por qué?) y x−ypara este n es rn > y (¿por qué?). Que x es el supremo del conjunto {rn : n ∈ N} suele expresarse poniendo x = a0 , a1 a2 . . . an . . .y se dice entonces que a0 , a1 a2 . . . an . . . es una representación decimal infinita de x. En ciertos ca-sos, es posible obtener el mismo supremo para dos representaciones decimales infinitas distintas,ver [A POSTOL 2, pág. 15]. Para x = 0, suele tomarse como representación decimal 0, 00 . . . 0 . . .; y para x < 0, se parte de unarepresentación decimal de −x y se coloca un signo − delante. Hay una presentación más geométrica y computacional en [L AX, sec. 1.3]. Si en lugar de potencias de 10 se utilizan potencias de 2, se obtiene la representación binariade los números reales; la representación hexadecimal resulta al tomar potencias de 16. Ambas sonmuy importantes (especialmente la primera) en relación con los ordenadores. Pueden verse detallesen [A BELLANAS -G ALINDO, cap. 3] y [BARTLE -S HERBERT, pág. 73 y sigs.].1.4. EjerciciosEjercicio 1.1. Sea x ∈ R. Demostrar que si |x| ≤ ε para todo ε > 0, entonces x = 0. ¿Qué númerosreales x cumplen que x ≤ ε para todo ε > 0?Ejercicio 1.2. Decir si cada una de las siguientes expresiones es cierta o falsa: 30 30 100 a) ∑ j4 = ∑ j4 b) ∑ 2 = 200 j=1 j=0 j=0 20 20 100 100 2 c) ∑ (2 + j2 ) = 2 + ∑ j2 d) ∑ k2 = ∑k j=1 j=1 k=1 k=1Ejercicio 1.3. Expresar con notación de sumatorio: 1 1 1 1 a) + + +···+ b) 1 + 40 + 900 + 16 000 + 250 000 + 3 600 000 1·2 2·3 3·4 10 · 11 c) 1 − 2x + 3x2 − 4x3 + 5x4 d) a5 + a4 b + a3 b2 + a2 b3 + ab4 + b5 e) a5 − a4 b + a3 b2 − a2 b3 + ab4 − b5 f) a0 x4 + a1 x3 + a2 x2 + a3 x + a4
  • 13. 1.4. Ejercicios 13 1 1 1 n 1Ejercicio 1.4. Sabiendo que = − , hallar la suma de ∑ . j( j + 1) j j+1 j=1 j( j + 1)Ejercicio 1.5. Hallar las sumas siguientes (n ∈ N): n a) ∑ (2 j − 1) (usar la igualdad j2 − ( j − 1)2 = 2 j − 1, j ∈ N). j=1 n b) ∑ j (apoyarse en a)). j=1Ejercicio 1.6. Probar que xn −yn = (x−y)(xn−1 +xn−2 y+· · ·+xyn−2 +yn−1 ) para cada n ∈ N, x, y ∈ R.Escribir el segundo miembro con notación de sumatorio. Esta expresión recibe el nombre de fórmulao ecuación ciclotómiica. nEjercicio 1.7. Deducir de la ecuación ciclotómica la suma de ∑ x j , x = 1. Hacer operaciones en la j=0 n n nexpresión (1 − x) ∑ jx j para deducir la suma de ∑ jx j , x = 1. Análogamente en (1 − x) ∑ j2 x j para j=1 j=1 j=1 ndeducir la suma de ∑ j2 x j , x = 1. j=1Ejercicio 1.8. Demostrar por inducción las propiedades siguientes (n ∈ N): n n(n + 1)(2n + 1) n k+4 n(3n + 7) a) ∑ k2 = b) ∑ = . k=1 6 k=1 k(k + 1)(k + 2) 2(n + 1)(n + 2) 2 n n(n + 1) n a(rn − 1) c) ∑ k3 = . d) ∑ ar j−1 = (r = 1). k=1 2 j=1 r−1 n 1 √ 2n 1 (−1)k+1 e) ∑ √ ≥ n. f) ∑ = ∑2n k=1 . k=1 k k=n+1 k kEjercicio 1.9. Deducir de las ecuaciones 1=1 1 − 4 = −(1 + 2) 1−4+9 = 1+2+3 1 − 4 + 9 − 16 = −(1 + 2 + 3 + 4)una fórmula general sencilla que incluya las anteriores como casos particulares, y demostrarla me-diante el principio de inducción.Ejercicio 1.10. Probar la fórmula del binomio de Newton: para cada x, y ∈ R y cada n ∈ N, n n j n− j (x + y)n = ∑ xy . j=0 jDeducir de ella que: n n a) 1 + n + +···+ + 1 = 2n ; 2 n−1 n n b) 1 − n + + · · · + (−1)n−1 + (−1)n = 0. 2 n−1
  • 14. 14 Capítulo 1. Números realesEjercicio 1.11. Demostrar que si un conjunto A de números naturales contiene a n0 y además cumplen ∈ A ⇒ n + 1 ∈ A, entonces A contiene a {n ∈ N : n ≥ n0 }. ¿Puede asegurarse siempre la igualdad deestos conjuntos?Ejercicio 1.12. Demostrar que 72n+1 − 48n − 7 (n ∈ N) es divisible por 48.Ejercicio 1.13. Demostrar que 22n + 15n − 1 (n ∈ N) es múltiplo de 9.Ejercicio 1.14. Desigualdad de Bernoulli: probar que para todo x > −1 y todo n ∈ N se verifica(1 + x)n ≥ 1 + nx.Ejercicio 1.15. Probar las siguientes desigualdades para n ∈ N: a) n! > 2n−1 (n ≥ 3) b) (2n)! < 22n (n!)2 √ √ c) n+ n−1+···+ 2+ 1 < n+1 nEjercicio 1.16. Sean x, y > 0 y para cada k, n ∈ N, sea αk,n = ∑ jk n j x j yn− j . j=0 a) Probar, mediante la fórmula del binomio de Newton, que α1,n = nx(x + y)n−1 . n b) Hallar α2,n . Sugerencia: calcular antes β2,n = ∑ j( j − 1) n j x j yn− j . j=0 c) Obtener un procedimiento para calcular αk,n para cualesquiera k, n ∈ N.Ejercicio 1.17. Desigualdad de Cauchy-Schwartz: probar que si x1 , . . . , xn , y1 , . . . , yn ∈ R, entonces 2 n n n ∑ x jy j ≤ ∑ x2j ∑ y2j . j=1 j=1 j=1Deducir que, si a2 + b2 = c2 + d 2 = 1, entonces |ac + bd| ≤ 1. n (2n + 1)2Ejercicio 1.18. Sea P(n) la propiedad ∑ k = . k=1 8 a) Probar que si P(n) es cierta, entonces P(n + 1) es cierta. b) Discutir la afirmación: se deduce por inducción que P(n) es cierta para todo n ∈ N.Ejercicio 1.19. Decidir para qué números naturales n es cierta la desigualdad 2n > n2 . Demostrarlopor inducción.Ejercicio 1.20. Comparar nn+1 y (n + 1)n para n ∈ N, y enunciar y demostrar qué desigualdad severifica entre ambos números.Ejercicio 1.21. Probar por inducción que si a1 , a2 , . . . , an son números reales positivos tales quea1 a2 . . . an = 1, entonces a1 + a2 + · · · + an ≥ n. Deducir de aquí que si x1 , x2 , . . . , xn son númerosreales no negativos cualesquiera, entonces x1 + x2 + · · · + xn √ ≥ n x1 x2 . . . xn , nes decir, su media aritmética es siempre mayor o igual que su media geométrica.
  • 15. 1.4. Ejercicios 15 n 1Ejercicio 1.22. Probar que para todo número natural n es 1 + < 3. nEjercicio 1.23. Demostrar que el cardinal del conjunto de las partes de un conjunto que tiene nelementos es 2n .Ejercicio 1.24. Hallar las soluciones de las desigualdades siguientes: 1 x a) 2x2 + 9x + 6 ≥ x + 2 b) x + < 1 c) <0 x x+5 3x2 − 1 2x − 1 2x2 + 9x + 6 d) >0 e) ≤1 f) ≥1 1 + x2 3x + 2 x+2 x2 − 4x + 4 x−1 3x + 2 g) >0 h) ≤ 1 + x3 3x + 4 xEjercicio 1.25. Resolver las ecuaciones: x−1 x−1 a) |x2 − 5x + 6| = −(x2 − 5x + 6) b) = x+1 x+1 c) |(x2 + 4x + 9) + (2x − 3)| = |x2 + 4x + 9| + |2x − 3| d) |x − 1| |x + 1| = 0 e) |x − 1| |x + 2| = 3Ejercicio 1.26. Resolver las siguientes desigualdades: a) |x − 1| + |x + 1| < 1 b) |x − 5| < |x + 1| c) |3x − 5| < 3 d) |x2 − 1| < 1 e) |x2 − x + 1| > 1 f) 1 < |x − 1 | < 2 2 g) x − |x| > 2 h) |x2 − x| + x > 1 i) x + |x − 1| < 2 1 |x3 −1| j) 1+|x−1| < |x − 2| k) −1 ≤ x−1 ≤2Ejercicio 1.27. Estudiar para qué números reales x se cumple: |x| + 1 −2|x| + 1 a) <1 y < 1 b) 2x − |2x − 1| = −5x x xEjercicio 1.28. Calcular el supremo y el ínfimo, si existen, de los siguientes conjuntos, indicando sison máximo o mínimo respectivamente: a) { 1 : n ∈ N} ∪ {0} n b) { 2n+1 : n ∈ N} n √ c) {n ± 1 : n ∈ N} n d) {x ∈ Q : |x| < 2} ∪ {x ∈ Q : 1 x−5 > 7} e) { 1 + (−1)n : n ∈ N} n f) ∞ n=1 {x ∈ R : n2 x2 − n(3n − 1)x + (2n2 − 3n − 2) = 0} {(−1)n n +1 : n ∈ N} 2 g) { 1 : n ∈ N} n h) n+1 i) {x ∈ R : x2 + x − 1 < 0} j) {x ∈ R : x < 0, x2 + x − 1 < 0} k) {x ∈ R : x2 + x + 1 ≥ 0} l) ∞ n=1 −1, 1 n n m) ∞ n=1 −1, 1 n n n) ∞ 1 1 n=1 2n , 2n−1
  • 16. 16 Capítulo 1. Números realesEjercicio 1.29. Sean A un conjunto, s = sup A y ε > 0. ¿Se puede asegurar que existe algún a ∈ Atal que s − ε < a < s? En caso afirmativo, demostrarlo. En caso negativo, dar un contraejemplo ymodificar las desigualdades anteriores para que sea cierto.Ejercicio 1.30. Sean A y B dos conjuntos no vacíos, acotados, de números reales. a) Demostrar que si A ⊆ B, entonces sup A ≤ sup B, ´nf A ≥ ´nf B. ı ı b) Probar que si x ≤ y para todos los x ∈ A, y ∈ B, entonces sup A ≤ y para todo y ∈ B; x ≤ ´nf B para todo x ∈ A ı y por lo tanto sup A ≤ ´nf B. ı c) Demostrar que si sup A < ´nf B, entonces que a < b para todos los a ∈ A, b ∈ B. Justificar si es ı cierto el recíproco.Ejercicio 1.31. a) Sean A y B dos conjuntos acotados de números reales. Definimos el conjunto A + B = {x + y : x ∈ A, y ∈ B}. Demostrar que sup(A + B) = sup A + sup B, ´nf(A + B) = ´nf A + ´nf B. ı ı ı b) Sean A = {x1 , x2 , . . . , xn } ⊆ R, B = {y1 , y2 , . . . , yn } ⊆ R, y consideremos el conjunto C = {x1 + y1 , x2 + y2 , . . . , xn + yn }. Demostrar que supC ≤ sup A + sup B, ´nfC ≥ ´nf A + ´nf B. ı ı ı Dar algún ejemplo que muestre que las desigualdades pueden ser estrictas.